Электролиз

Данный процесс широко применяется в промышленности. Без него практически невозможно представить производство цветных металлов и некоторые отрасли химической промышленности, в частности основу технологии изготовления меди, алюминия, цинка и ряда других химических элементов составляет электролиз. Кроме того, он играет важную роль при получении водорода, кислорода и хлора.

Схема электролиза

Что такое электролиз

Под данным явлением понимается совокупность физических и химических процессов, которые осуществляются в электролите (специальном растворе или расплаве проводящей жидкости) при направленном воздействии на него электрического тока. В результате электролиза на электродах образуются молекулы металлов, содержащихся в первоначальном веществе.

История данного явления начинается с конца XVII-начала XIX века, когда были проведены первые опыты в электрохимии. Сама наука появилась благодаря исследованиям Л. Гальвани (в честь него названо одно из применений описываемого процесса – осуществление гальванического покрытия для придания веществам дополнительных свойств). Не менее важную роль сыграл и А.Вольт, который изобрел первый химический источник тока.

В основе физико-химического явления лежат два закона Фарадея. Первый – утверждает, что масса вещества, которое аккумулировалось на катоде или перешло с анода в электролит, прямо пропорциональна объему электричества, которое было проведено через жидкость. Второй закон Фарадея гласит, что масса вещества, произведенного с помощью электролиза при определенном количестве электричества, прямо пропорциональна атомной массе и обратно пропорциональна валентности.

Процессы, происходящие при электролизе

Эффект от применения описываемого процесса объясняется возможностью осуществления химических реакций под воздействием электрического тока. Сама технология образования новых частиц состоит из нескольких операций:

• Перемещение ионов (положительно заряженные частицы мигрируют к катоду, а отрицательные – к аноду);
• Диффузия ионов, которые, попадая на электроды (катод и анод), разряжаются и начинают хаотично перемещаться;
• Химические реакции при контакте электродов и электролита, а также образуемых молекул веществ между собой.

Все это делает саму технологию очень сложной и требующей постоянного контроля со стороны специалистов. Основным же преимуществом такого способа изготовления металлов является его относительная экономическая эффективность, а также в некоторых случаях невозможность получить химический элемент другим методом.

Электролиз расплавов

Устройства, в которых происходит реакция, и производятся технологические операции, называются электролизерами. Чтобы получить в результате описываемого физико-химического процесса нужное вещество, необходимо правильно подобрать электроды и электролит. Главным требованием к электроду является его проводимость, поэтому чаще всего в электролизе в качестве электродов используются стержни из неметаллических веществ, например, из графита или углерода.

Положительно заряженный электрод называется анодом. К нему притягиваются анионы – частицы с отрицательным зарядом. В результате данной реакции он окисляется (растворяется в электролите), поэтому вещество, из которого изготовлен анод, должно быть таким, чтобы в результате попадания его в раствор процесс получения химических элементов не нарушился, и ненужные частицы не испортили качество готовой продукции.

Электролиз расплава на примере получения натрия и хлора

Отрицательно заряженный электрод называется катод. Он является центром притяжения для катионов, которые и наносят на него покрытие из металла, содержащегося в расплаве. Таким способом осуществляется либо производство необходимых химических элементов, либо покрытие изделий каким-либо веществом, содержащимся в расплавленной соли.

Ключевым отличием электролиза расплавов от аналогичного процесса с растворами является то, что при изготовлении химических элементов из расплавов солей в реакции участвуют только ионы самого вещества. Примерами электролиза данного типа является производства натрия, при котором на аноде будет аккумулироваться газ «хлор», а на катоде – необходимое вещество. Данный метод применяется при получении щелочных химических элементов, поскольку они легко растворяются в воде, и выделять их из раствора для них очень сложно. К таким металлам относятся кальций, натрий, литий и другие.

Электролиз растворов

Чаще всего описываемым методом производятся медь и алюминий. При их получении из растворов необходимо помнить, что в этом случае в химической реакции участвуют еще молекулы воды, что может как помочь, так и помешать.

Начинается электролиз меди или других металлов, получаемых из раствора, также с подбора катода и анода. Требования к ним предъявляются абсолютно аналогичные: желательно, чтобы анод был инертным (при растворении не образовывал примесей), а катодом может быть любая металлическая пластина или стержень с соответствующим зарядом.

Электролиз меди из раствора

Далее в электролизер помещается раствор необходимой соли (для электролиза меди используется раствор медного купороса), и через него пропускается ток. По завершении химико-физической реакции анод растворится (как правило, для него используется графитовый стержень, но в производствах, требующих высокой чистоты получаемых химических элементов, может применяться и платина), а на катоде появится темно-красный налет – это медь, которую теперь можно использовать в других отраслях промышленности после переработки.

Таким способом можно получать и газы, причем даже в домашних условиях. Для этого необходимо взять раствор пищевой соды, поместить в него электроды и воздействовать на него электричеством. В результате около анода электролит начнет пузыриться – это выделяется кислород. Водород будет аккумулироваться на катоде. Причиной этого является то, что к аноду притягиваются отрицательно заряженные ионы ОН, в которых содержится кислород, а к катодам – положительно заряженный водород. Данная реакция возможна только при использовании растворов, поскольку в расплавах молекул воды не содержится, а значит, не будет такого выделения водорода и кислорода.

Применение электролиза

Законы электрохимии активно используются в промышленности при производстве различных веществ. Причем некоторые из них получаются в результате восстановления на катодах, а другие – путем окисления на анодах.

Применение электролиза в настоящее время можно увидеть в следующих областях и направлениях:

• Получение необходимых химических элементов;
• Производство металлов, особенно популярным является электролиз меди и алюминия;
• Очистка различных веществ от примесей;
• Изготовление сплавов;
• Покрытие поверхностей (цинком, хромом, серебром, золотом и так далее), данные операции приобрели особую популярность в настоящее время);
• Лечение людей с помощью аппаратов для электрофореза, диализа и так далее.

Примеры применения электролиза

Исследования электролиза для расширения возможностей его применения продолжаются. В частности металлы для повышения их прочности могут покрываться различными защитными пленками. Это позволяет помещать их в агрессивные среды, создавая новые механизмы и двигатели. Применяется данная технология и для заточки медицинских инструментов, а также при очистке воды в химической и медицинской промышленностях. Таким образом, электролиз является одним из самых популярных способов применения тока в промышленности, ведь некоторые технологические операции стали возможны только после открытия законов Фарадея и проведения опытов Гальвани.

Видео